近年來，在高端應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅MOSFET已經(jīng)逐漸取代硅基IGBT。以碳化硅、氮化鎵領(lǐng)銜的寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展迅猛，被認(rèn)為是有可能實(shí)現(xiàn)換道超車的領(lǐng)域。

　　6月25日，2022中國·南沙國際集成電路產(chǎn)業(yè)論壇在廣州南沙召開。本次峰會(huì)由廣州南沙經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)管理委員會(huì)、廣州市工業(yè)和信息化局主辦；支持單位為廣州灣區(qū)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司、廣東省集成電路行業(yè)協(xié)會(huì)、廣州市半導(dǎo)體協(xié)會(huì)；廣東省半導(dǎo)體及集成電路集群智庫機(jī)構(gòu)芯謀研究承辦。廣東省委常委、廣州市委書記林克慶，廣東省委常委、副省長王曦出席并致辭。

　　近年來，在高端應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅MOSFET已經(jīng)逐漸取代硅基IGBT。以碳化硅、氮化鎵領(lǐng)銜的寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展迅猛，被認(rèn)為是有可能實(shí)現(xiàn)換道超車的領(lǐng)域。國內(nèi)碳化硅企業(yè)基本半導(dǎo)體董事長汪之涵發(fā)表了題為《未來已來：功率半導(dǎo)體的碳化硅時(shí)代》的主題演講，認(rèn)為功率半導(dǎo)體領(lǐng)域碳化硅對硅基的取代趨勢比業(yè)界此前的判斷來得更早更快。

　　基本半導(dǎo)體成立于2016年，總部位于深圳，是一家碳化硅功率半導(dǎo)體創(chuàng)新企業(yè)。其產(chǎn)品系列有四個(gè)方向：碳化硅二極管和MOSFET、車規(guī)級碳化硅模塊、碳化硅及IGBT驅(qū)動(dòng)芯片和驅(qū)動(dòng)模塊、功率半導(dǎo)體測試設(shè)備。目前，基本半導(dǎo)體在深圳和無錫建設(shè)了碳化硅生產(chǎn)基地，其在無錫的碳化硅功率模塊封裝產(chǎn)線將于今年第四季度量產(chǎn)，產(chǎn)能到2025年可達(dá)到400萬只。截至目前，基本半導(dǎo)體的碳化硅功率器件產(chǎn)品累計(jì)出貨超過2000萬顆，在光伏儲能、通信電源、工業(yè)電源等領(lǐng)域有600多家全球客戶。

　　在國家“雙碳”戰(zhàn)略的推動(dòng)下，碳化硅器件在光伏發(fā)電、新能源汽車等領(lǐng)域的滲透率越來越高。

　　新能源汽車未來十年，仍將是碳化硅最大的應(yīng)用市場。在一輛電動(dòng)汽車?yán)铮腥齻€(gè)場景用到碳化硅器件。其中車載充電器OBC和車載DC/DC變換器，功率較低，對整車性能和安全性影響也較小，目前車企已在大批量使用碳化硅SBD和MOSFET。電動(dòng)汽車的主逆變器DC/AC，也即電機(jī)控制器，所需功率較大，一般在100-300千瓦，對整車性能和安全性影響比較大。近幾年，特斯拉、比亞迪開始在主驅(qū)上大規(guī)模使用碳化硅器件。目前，國內(nèi)很多車企都宣布在即將量產(chǎn)的車型上使用碳化硅功率器件作為下一代電控平臺的核心器件。采用碳化硅器件可以讓電機(jī)控制器的功率密度和效率得到大幅提升，體積可以減少30%-40%，重量隨之減輕，轉(zhuǎn)換效率平均約有5%的提升。這意味著同樣續(xù)航里程下，電池容量可以減少5%。從全生命周期成本來看，采用碳化硅器件已具備成本優(yōu)勢。

　　隨著碳化硅器件的耐壓進(jìn)一步提升，智能電網(wǎng)將會(huì)成為非常重要的應(yīng)用。目前國際上已有10kV的碳化硅MOSFET產(chǎn)品，一般認(rèn)為當(dāng)電壓超過12kV，通過設(shè)計(jì)雙極型碳化硅器件，會(huì)比單極型器件性能更好。智能電網(wǎng)設(shè)備，比如直流輸電換流閥、直流斷路器等，可以通過使用高耐壓的碳化硅器件，達(dá)到更高的性能和效率。2030年之后，高壓大功率的碳化硅器件會(huì)逐步在電網(wǎng)上得到應(yīng)用，將為碳化硅產(chǎn)業(yè)打開新的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　法國Yole公司預(yù)測，2027年全球碳化硅市場規(guī)模超過60億美元。其中約80%的市場來自于新能源汽車，即有約300億人民幣的碳化硅市場來自于新能源汽車，這意味著2027年全球?qū)⒂谐^1000萬輛車使用碳化硅器件。基本半導(dǎo)體判斷，到2027年使用碳化硅的電動(dòng)汽車數(shù)量應(yīng)該比這個(gè)數(shù)字更大，部分車企的碳化硅滲透率將達(dá)30%-40%，有些比較激進(jìn)的車企將全部使用碳化硅器件。

　　碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈包括最上游的碳化硅粉末，到晶錠、襯底、外延，再到晶圓，以及封裝后的單管和模塊。從產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)上看，碳化硅產(chǎn)業(yè)有很多創(chuàng)新點(diǎn)。

　　目前制約碳化硅成本和產(chǎn)能的重要因素是碳化硅單晶生長的成本高、速度慢。現(xiàn)在主流技術(shù)路線為PVT法，1小時(shí)只能生長200-400微米，速度非常慢。此外，還有缺陷率更低，但成本更高的CVD法，以及LPE溶液生長法。

　　單晶生長之后需要進(jìn)行切割，金剛線切割是最常見的方法，目前也有激光切割、微射流激光切割等方式。英飛凌在研究冷切割技術(shù)，加賀電子等企業(yè)也推出了新的鍵合剝離技術(shù)。

　　碳化硅襯底材料尺寸的進(jìn)展和當(dāng)年硅晶圓的發(fā)展路徑類似。國際上走在最前的是Wolfspeed。國外的碳化硅企業(yè)已經(jīng)完成了4-6吋的升級。國內(nèi)從6吋研發(fā)起步，目前也有了較好的技術(shù)積累。8吋碳化硅襯底進(jìn)入大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的時(shí)點(diǎn)，Wolfspeed的目標(biāo)是2024年，預(yù)計(jì)國內(nèi)企業(yè)會(huì)在2026、2027年達(dá)到產(chǎn)業(yè)化階段。

　　碳化硅外延生長方面，目前主流方法還是CVD，未來業(yè)界追求的目標(biāo)是進(jìn)一步降低缺陷率，提高良品率。

　　在碳化硅功率器件的設(shè)計(jì)方面，與其他材料類似，都可以設(shè)計(jì)出不同的結(jié)構(gòu)，二極管、三極管、MOSFET、IGBT、晶閘管等都可以實(shí)現(xiàn)。Wolfspeed、ST、安森美采用平面設(shè)計(jì)，英飛凌和羅姆采用溝槽設(shè)計(jì)，這兩種設(shè)計(jì)方式并存。長期來看，溝槽型應(yīng)該會(huì)成為碳化硅MOSFET的主流技術(shù)路線。MOSFET的發(fā)展趨勢有四個(gè)方向：更小的元胞尺寸，更低的比導(dǎo)通阻，更低的開關(guān)損耗，更好的柵氧保護(hù)，提高器件的性能和可靠性。

　　在工藝開發(fā)環(huán)節(jié)，碳化硅功率器件與傳統(tǒng)的功率器件有所不同，在退火、離子注入方面，都需要高溫設(shè)備。

　　碳化硅的封裝技術(shù)目前也有很多創(chuàng)新點(diǎn)。傳統(tǒng)的IGBT封裝技術(shù)也可以封碳化硅模塊，但無法真正實(shí)現(xiàn)碳化硅的優(yōu)異性能。封裝方面，有四個(gè)關(guān)注方向，即封裝基板、封裝保護(hù)材料、芯片連接技術(shù)和封裝互聯(lián)技術(shù)。

　　一些研究機(jī)構(gòu)也在探索用碳化硅材料做集成電路，但目前離產(chǎn)業(yè)化非常遙遠(yuǎn)。

　　未來十年，碳化硅行業(yè)擁有巨大的機(jī)會(huì)，也面臨諸多挑戰(zhàn)，業(yè)內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)整合、洗牌的情況。展望未來，一定會(huì)有中國的碳化硅企業(yè)真正邁入全球功率半導(dǎo)體第一梯隊(duì)。